基于單片機技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)*

姚有峰，趙江東

(皖西學(xué)院 實驗中心，安徽 六安 237012)

植物，尤其是稀有植物、珍貴花卉和苗木的生長都需要某種特定的溫度、濕度和光照度等條件，當(dāng)環(huán)境條件不能滿足上述要求時，它們便停止生長，甚至腐爛、死亡。而要獲得植物生長所需的最佳條件，不能單獨靜態(tài)地考慮某一因素，而應(yīng)從整體上綜合地研究環(huán)境參數(shù)控制問題。智能化溫室控制系統(tǒng)，即根據(jù)植物生長發(fā)育的需要，通過傳感器技術(shù)、微型計算機及單片機技術(shù)，自動測控溫室的環(huán)境參數(shù)，其中包括溫度、濕度、光照度等，使植物在不適宜生長發(fā)育的反季節(jié)中，獲得適宜的環(huán)境條件，達到早熟、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的[1]。

1 環(huán)境參數(shù)對植物的影響

影響植物生長的因素主要有溫度、濕度、土壤水分、光照度和CO2濃度等，研究發(fā)現(xiàn)溫度對植物的影響占40%，濕度占28%，它們對植物的生長起主要作用。因此，本系統(tǒng)主要研究溫度和濕度對植物的影響和智能化溫室中對環(huán)境溫濕度的調(diào)控。

1.1 溫度對植物的影響

植物在生命周期中的一切生物化學(xué)作用都必須在一定的溫度條件下進行，不管濕度、光照、CO2濃度等其他環(huán)境條件如何適宜，植物總將在溫度降低至某一低溫或超過某一高溫時停止生長發(fā)育。溫度對植物的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是發(fā)育進程的快慢，包括出葉速度(葉齡)及開花日期等；二是生長量增長的快慢，包括株高、葉面積、節(jié)間長度、果實大小等。當(dāng)然，溫度的影響要和光照強度相結(jié)合進行分析。當(dāng)光合產(chǎn)物大于呼吸消耗時，植物體內(nèi)有機質(zhì)才會有積累。當(dāng)溫度超過光合最適溫度后，光合強度減弱而呼吸強度增強，將減少物質(zhì)的積累，影響植物的生長。

1.2 濕度對植物的影響

濕度主要指溫室內(nèi)空氣的相對濕度，其大小不僅影響著溫室內(nèi)植物蒸騰與地面蒸發(fā)量，而且直接影響著植物光合強度與病害情況。濕度與病原微生物的繁殖密切相關(guān)，因此濕度條件是引起植物病害的主要原因。

研究發(fā)現(xiàn)，植物的生長和發(fā)育并不取決于某一時刻某個特定溫度與濕度，而主要取決于在一個時間段中的平均參數(shù)。這就要求控制系統(tǒng)不能設(shè)置一個固定的參數(shù)值，溫室中的溫度和濕度在最高和最低范圍內(nèi)進行變動，以求在一個較長的時間段內(nèi)達到理想的生長環(huán)境?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)室外的氣候，在使用最低能耗、最佳利用溫室中現(xiàn)有的設(shè)備情況下進行動態(tài)調(diào)節(jié)，保持在適宜植物生長的狀態(tài)。

2 溫室環(huán)境參數(shù)檢測

2.1 環(huán)境溫度檢測

控制系統(tǒng)中需要采集溫室中多點溫度或溫室群的溫度，本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其結(jié)構(gòu)簡單不需要外接電路，僅用一根I/O數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)。每只DS18B20有獨立的序列號，實現(xiàn)多個DS18B20傳感器掛接在一根數(shù)據(jù)線上分別檢測多點溫度[2]。

單片機通過單線接口控制DS18B20溫度傳感器，檢測溫度先發(fā)啟動命令，當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的高、低字節(jié)中；讀取數(shù)據(jù)時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5℃／LSB形式表示。暫存存儲器的高字節(jié)前5位的 “S”為符號位，當(dāng)S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)；當(dāng)S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，把測得的溫度值與TH、TL做比較，若 T＞TH或 T＜TL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對主機發(fā)出告警命令。

由于DS18B20轉(zhuǎn)換后的代碼并不是實際的溫度值，所以要進行計算轉(zhuǎn)換。溫度高字節(jié)中的前5位用來保存溫度的正負 (標(biāo)志為 S的 bit11～bit15)，高字節(jié)(MS Byte)的后3位和低字節(jié)8位來保存溫度值 (bit0～bit10)，其中低字節(jié)(LS Byte)的低 4位保存溫度的小數(shù)位 (bit0～bit3)。由于要求采用 0.062 5的精度，小數(shù)部分的值，可以用后四位代表的實際數(shù)值乘以0.062 5，得到真正的溫度值，本系統(tǒng)保留一位小數(shù)，即檢測的溫度精確到0.1度。

2.2 環(huán)境濕度檢測

本系統(tǒng)采用HS1101濕度傳感器采集環(huán)境的相對濕度，HS1101屬于電容式濕度傳感器，其工作機理是當(dāng)基于電極間的感濕材料吸附環(huán)境中的水份時，其介電常數(shù)隨之變化，等效電容與環(huán)境中水蒸汽的關(guān)系表示為[3]：

其中 ε0是真空介電常數(shù)、εμ是感濕材料的介電常數(shù)、S是電容式傳感器有效面積、d為感濕膜厚度。

HS1101濕度傳感器的線性輸出電壓與濕度的關(guān)系[4]：

在環(huán)境濕度檢測中，既可以利用HS1101濕度傳感器的等效電容與濕度的關(guān)系，組成振蕩器，將濕度與電容的關(guān)系轉(zhuǎn)化為濕度與頻率的關(guān)系，測量頻率達到檢測濕度的目的；也可以利用HS1101濕度傳感器的輸出電壓與濕度的關(guān)系，測量電壓實現(xiàn)濕度檢測。本系統(tǒng)利用HS1101的等效電容與濕度的關(guān)系，測出頻率實現(xiàn)濕度的測量。

3 溫室控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能化溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，要達到對溫室內(nèi)溫、濕度等環(huán)境參數(shù)的檢測與控制，系統(tǒng)必須包含三個部分：(1)信號采集輸入部分。包括溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的檢測；(2)信號轉(zhuǎn)換與處理部分。將采集的信號轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)據(jù)量，并由計算機進行相關(guān)處理；(3)輸出和控制部分?？刂茋娏堋⒄陉?、通風(fēng)、加熱等環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)執(zhí)行系統(tǒng)。

本系統(tǒng)主要由上、下位機構(gòu)成，上位機實現(xiàn)人機操作界面的控制，并實時接收下位機上傳的環(huán)境參數(shù)，結(jié)合植物生長所需要的最佳環(huán)境條件發(fā)送相應(yīng)的控制命令給下位機。下位機主要功能是實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)采集，同時與上位機進行串行通信，根據(jù)上位機的命令對溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

3.1 信號采集單元

信號采集包括溫度采集和濕度采集。DS18B20溫度傳感器采集溫室內(nèi)的環(huán)境溫度，并直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入單片機進行處理，DS18B20傳感器掛在單片機的P0.7口線上；HS1101濕度傳感器采集溫室內(nèi)的環(huán)境濕度，利用其等效電容的變化與濕度的關(guān)系，組成多諧振蕩器，單片機檢測振蕩頻率計算出濕度，HS1101傳感器組成振蕩電路，其輸出連接在單片機的P2.X口上，溫、濕度檢測接口電路如圖2所示。

3.2 核心控制單元

本系統(tǒng)采用STC89C54RD+單片機作為下位機內(nèi)核，它是一種低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，片內(nèi)含有16 KB可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和1280 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、32個I/O口線、3個 16位定時/計數(shù)器、一個 6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)、一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機，具有ISP在系統(tǒng)編程功能，利于在線調(diào)試和產(chǎn)品開發(fā)。溫室內(nèi)的溫度通過DS18B20采集送入單片機的P0.7口；濕度轉(zhuǎn)換為頻率送入單片機的P2.X口，采集的環(huán)境參數(shù)交替在顯示器上顯示。同時，采集的環(huán)境參數(shù)通過P3.0和P3.1引腳至接口芯片MAX1483輸送至上位機進行處理，并等待上位機發(fā)送的控制命令，控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)的下位機與上位機之間的串口通信采用符合RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)的MAX485芯片，其抗干擾能力強，共模抑制比高，當(dāng)以100 kb/s的速率傳輸時，可傳送的距離為1.2 km，能實現(xiàn)多點對多點的通信，很好地解決了溫室分布零散和集中管理的矛盾，非常適合溫室規(guī)模擴大時測控系統(tǒng)的擴展，其硬件電路如圖3所示。

3.3 環(huán)境控制執(zhí)行單元

系統(tǒng)自動檢測溫室內(nèi)的溫度和濕度，控制執(zhí)行單元驅(qū)動通風(fēng)機、加熱器、噴淋水泵、遮陽幕簾等設(shè)備，是智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行者?？刂葡到y(tǒng)啟動后檢測溫室內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，啟動加熱循環(huán)水升溫。本系統(tǒng)在植物底部和溫室上方安裝熱水管道進行加溫，管道內(nèi)水溫控制在60～80℃，底部加溫對植物的健康成長十分有益；上方管道加溫使溫室加熱均勻，有利于植物生長。當(dāng)溫室的溫度高于設(shè)定值時，開啟通風(fēng)機降溫；若濕度低于某設(shè)定值時，啟動噴霧水泵增濕，反之，啟動通風(fēng)機去濕。

系統(tǒng)硬件電路如圖3所示，單片機的P1口輸出控制信號，實現(xiàn)對溫室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)，為避免電機產(chǎn)生的電磁干擾，采用光電耦合器隔離單片機I/O口與驅(qū)動電路。

4 溫室控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，C語言編寫。考慮到溫室多參數(shù)控制的復(fù)雜性，本系統(tǒng)采用優(yōu)先調(diào)節(jié)原則，即在溫室環(huán)境溫度、濕度等要素中選擇1個作為主要的控制要素，然后再對其他要素進行控制，這樣做的目的是減小系統(tǒng)控制復(fù)雜度。控制過程中考慮到檢測和控制需要經(jīng)過一段時間的延時，如溫室噴霧后的一段時間內(nèi)，空氣水霧影響空氣濕度正常檢測的問題等[5]。

軟件設(shè)計中的程序模塊主要包括主程序、溫度采集子程序以及顯示子程序等。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示，系統(tǒng)正常運行前首先進行初始化，設(shè)定溫室內(nèi)植物生長所需的溫度和濕度參數(shù)。然后檢測溫室內(nèi)的主要參數(shù)——溫度，調(diào)用溫度采集子程序，與設(shè)定值比較判斷并進行相應(yīng)的處理，若溫度合適，再檢測其濕度參數(shù)。

溫度采集子程序流程圖如圖5所示[6]，溫度采集使用的是一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其工作過程嚴格遵循單總線協(xié)議。主機首先發(fā)一個復(fù)位脈沖，使所有掛在總線上的DS18B20芯片復(fù)位，接著發(fā)送ROM操作命令啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并延時等待。工作中系統(tǒng)對DS18B20的操作以ROM命令和存儲器命令形式出現(xiàn)，其中ROM操作命令均為8位長，命令代碼分別為：讀 ROM(33H)、匹配 ROM(55H)、跳過 ROM(CCH)、搜索 ROM(F0H)和告警搜索 (ECH)命令。存儲器操作命令為：寫暫存存儲器(4EH)、讀暫存存儲器(BEH)、復(fù)制暫存存儲器(48H)、溫度變換(44H)、重新調(diào)出EERAM(B8H)和讀電源供電方式(B4H)命令等。單片機采集溫度時，需要先發(fā)1個保持480 μs～960 μs 的低電平復(fù)位脈沖，然后釋 放總線，等待DS18B20的應(yīng)答信號。DS18B20在接收到復(fù)位脈沖后等待 15～60 μs 發(fā)出應(yīng)答脈沖， 應(yīng)答脈沖保持 60～240 μs。單片機從發(fā)送完復(fù)位脈沖到再次控制總線至少需要等待480 μs才能進行讀寫操作。

利用DS18B20溫度傳感器檢測溫度，實現(xiàn)單總線掛接多個傳感器對多點或多室溫度進行檢測，但實際應(yīng)用中單總線上傳感器多于8個時，系統(tǒng)程序運行不正常，而線纜過長也造成測溫數(shù)據(jù)錯誤，在現(xiàn)場布線中使用屏蔽電纜減少環(huán)境干擾。

植物溫室智能控制系統(tǒng)采用先進的傳感器技術(shù)和單片機技術(shù)，對環(huán)境的溫度和濕度等參數(shù)進行檢測及控制，集監(jiān)、控、管于一體的溫室智能化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對植物生長環(huán)境的智能化控制，改變了傳統(tǒng)溫室依靠人工操作的缺點，且基于單片機的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化、節(jié)能化、網(wǎng)絡(luò)化，是現(xiàn)代溫室智能控制的發(fā)展方向。

[1]張瑞華.溫室環(huán)境自動監(jiān)控[J].計算機與農(nóng)業(yè)，2005(2)：8-10.

[2]馬云峰.單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接口設(shè)計[J].計算機測量與控制，2002，10(4)：278-280.

[3]李俊，張曉東.基于單片機的溫濕度檢測與控制系統(tǒng)研究[J].單片機開發(fā)與應(yīng)用，2008，24(2)：116-118.

[4]朱亞東，師帥兵，胡磊.谷物濕度測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)化研究，2009(4)：87-89.

[5]劉美琪，馬斌強，李寶杰，等.多信息融合的智能溫室控制系統(tǒng)研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，43(2)：182-185.

[6]周超，初從穎，侯朋飛.基于DS18B20的大棚溫控系統(tǒng)設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009(10)：11-12.